О беспроводных сетях четвертого поколения (4G) впервые заговорило известное американское Агентство перспективных исследовательских оборонных проектов (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA), которое в свое время придумало Internet. Неудивительно, что для беспроводного варианта Internet DARPA выбрало похожую распределенную архитектуру сервисов, ведь она оказалась очень успешной при построении фиксированных сетей
Хотя экспертам еще предстоит выработать единые стандарты на все аспекты беспроводной связи 4G, «общие места» сетей послезавтрашнего дня уже известны: они должны базироваться на протоколе IP и модели одноранговых вычислений peer-to-peer. Сети peer-to-peer, в которых каждое устройство является приемником, передатчиком и маршрутизатором сообщений «в одном лице», лишены характерных недостатков обычных сотовых сетей, поскольку выход из строя одного или даже нескольких их фрагментов не влияет на работоспособность сети в целом. В такой сети пользователь получит возможность делать все то, что сегодня обеспечивает Internet, но только в полностью мобильной среде.
Некоторые эксперты считают, что ориентация на архитектуру peer-to-peer означает, по сути, построение сети 4G по мере необходимости. Присоединяясь к ней, каждый пользователь добавляет к ее инфраструктуре свой мобильный маршрутизатор, поэтому емкость и покрытие сети изменяются динамически. Если много людей собираются на небольшом пространстве, то повышается потребность в пропускной способности сети и создается масса дополнительных маршрутов соединений. В 4G трафик автоматически будет перенаправляться с перегруженных маршрутов на более свободные, что приведет к саморегулированию нагрузки и общему повышению эффективности использования сети. Фактически, пользователи за свой счет станут помогать оператору создавать сетевую инфраструктуру.
Штрихи к портрету
При развертывании современных беспроводных систем связи около 80% средств идут на приобретение участков земли под базовые станции и постройку конструкций, а 20% — на технологическое оборудование. В сетях peer-to-peer эта пропорция меняется на обратную. А поскольку стоимость технологических решений постоянно снижается, с течением времени такие сети будут становиться все более прибыльными.
Спешка с внедрением стандартов четвертого поколения обусловлена тем, что технология 3G, даже не получив широкого распространения, уже вызывает массовое недовольство пользователей. Во-первых, передача голоса по сетям 3G базируется на коммутации временных слотов, унаследованной от сетей предыдущего поколения, —вместо обещанной пакетной. Во-вторых, широко разрекламированное «живое» видео в сетях 3G более всего напоминает слайд-шоу. В-третьих, добиться единого стандарта связи третьего поколения так и не удалось, и в мире существуют пять абсолютно не совместимых друг с другом технологий 3G. В сетях 4G разработчики надеются устранить эти недостатки (во многом благодаря принципиально иному уровню быстродействия), в том числе решить проблему совместимости: 4G-телефон можно будет настраивать для работы с любой из существующих ныне телефонных сетей.
Группа стандартизации радиосвязи при международном Союзе электросвязи (ITU-R) летом 2003 года определила параметры быстродействия, которые должен обеспечить будущий стандарт связи. Они таковы: скорость обмена данными по радиоинтерфейсу для объекта, движущегося со скоростью поезда, — порядка 100 Мбит/с, а для неподвижного объекта — около 1 Гбит/с.
Скоростные ориентиры
В октябре ряд информационных агентств сообщили, что в Европе началось тестирование сетей четвертого поколения. В некоторых европейских странах пользователи рискуют так и не познать прелести беспроводных коммуникаций 3G, но смогут сразу воспользоваться преимуществами 4G-сетей.
Второй по величине европейский оператор сотовой связи T-Mobile в Гааге (Нидерланды) приступил к тестовой эксплуатации высокоскоростной сети передачи данных 4G. При тестировании используется оборудование компании Flarion. Разработанная ею технология Flash-OFDM (Fast Low-latency Access with Seamless Handoff Orthogonal Frequency Division Multiplexing) позволяет передавать данные на любой рабочей частоте в диапазоне до 3 ГГц с максимальной скоростью 3 Гбит/с. Такую же технологию тестируют японский оператор Vodafone и американский NexTel Communications. Вскоре испытания сетей четвертого поколения начнет в Австралии оператор Telstra.
Однако не все эксперты в области мобильных телекоммуникаций придерживаются оптимистических взглядов. Так вице-президент по исследовательской работе корпорации Ericsson Ульф Вальберг считает, что сети 4G появятся не раньше 2012 года. Под беспроводной телефонией четвертого поколения он подразумевает возможность мобильной связи со скоростью 100 Мбит/c между любыми двумя точками, расположенными от Сиднея до Стокгольма.
На ежегодной конференции шведского института компьютерных наук, прошедшей в мае, Вальберг заявил, что через четыре года будет решен вопрос о выделении частот, а к 2012 году продукты 4G появятся на рынке. «Передавать данные со скоростью 100 Мбит/с на короткие дистанции несложно, мы умеем делать это и сегодня, — сказал Вальберг. — Но реализовать такое же быстродействие между двумя произвольными точками ?на глобусе? гораздо сложнее».
По словам вице-президента Ericsson, каждые десять лет появляется новая система мобильной телефонии, причем больше всего времени уходит не на разработку технологий, а на поиск свободных радиочастот и их согласование между соседними странами. Система четвертого поколения должна обеспечивать возможность ее постепенного ввода в строй. Тогда операторам, не имеющим ни одного пользователя, не придется делать колоссальные инвестиции.
Как же потребители будут использовать канал 100 Мбит/с? «Пока мы этого не знаем, — признался Вальберг, — поэтому дизайн новых сетей должен быть достаточно простым. Необходимо, чтобы он позволял провайдерам услуг запускать новые сервисы и приложения без значительных усилий».
Остается решить очень важную проблему: создать интерфейс между IP и протоколами мобильной телефонии. При работе пользователей в сетях мобильной телефонии добавляются несколько секунд задержки, что может интерпретироваться IP-системами как проблемы со связью. Как правило, интеллектуальные маршрутизаторы реагируют на увеличение задержки снижением скорости передачи трафика. Эту проблему межпротокольного взаимодействия и предстоит решить.
Через четыре года в Китае...
В 2008 году пройдут Олимпийские игры в Пекине, во время которых будут тестироваться так называемые комбинированные услуги связи. С помощью 3G-телефонов гости Олимпиады смогут наблюдать за атлетами на экране мобильных устройств и одновременно разговаривать с одним или несколькими собеседниками (в режиме конфренц-связи). Это станет возможным благодаря внедрению технологии HSPDA (High Speed Downlink Packet Access), которую иногда называют 3,5G. Она-то и должна стать предтечей услуг 4G.
Китайские статистики выяснили, что сегодня первый в своей жизни телефонный звонок жители Поднебесной делают по мобильному, а не проводному телефону. Это означает, что многие молодые китайцы просто перескочили через целое поколение проводной телефонии в мир беспроводных технологий. В свою очередь, есть все основания полагать, что еще до 2008 года, миновав этап тотального распространения технологий 3G, в Китае развернут первые сети 4G.
...или сейчас в Японии?
Японский оператор NTT DoCoMo в рамках форума International Conference on Beyond 3G Mobile Communications, проходившего в Токио в июне, отчитался об успехе полевых испытаний экспериментальных моделей оборудования для сетей четвертого поколения. Тестирование проводилось в автомобиле, движущемся по шоссе со скоростью 30 км/ч на удалении примерно 1 км от базовой станции. Оператору удалось добиться максимальной скорости загрузки данных в телефон, составляющей 300 Мбит/с, и средней скорости обмена данными порядка 135 Мбит/с.
Для увеличения скорости передачи/приема данных NTT DoCoMo задействовала технологию MIMO (многоканального приема/передачи трафика с использованием многоканальной антенны). Теперь компания ставит перед собой задачу довести скорость обмена данными до 1 Гбит/с (для неподвижных объектов). Метод, применяемый NTT DoCoMo для передачи нисходящего трафика (к абоненту), именуется VSF-OFCDM (Variable Spreading Factor, Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing — мультиплексирование с кодовым разделением и переменным коэффициентом распределения ортогональных частот). Для организации исходящего канала служит технология DS-CDMA (Direct Spread Code Division Multiple Access — прямое расширение при кодовом многостанционном доступе). В тестовых испытаниях для организации нисходящего канала использовалась рабочая полоса шириной 100 МГц в частотном диапазоне 4,635 ГГц, а для организации восходящего канала — полоса шириной 30 МГц в диапазоне 4,9 ГГц.
Если компании удастся довести до ума прототип сети 4G, то уже через несколько лет во многих странах этот формат связи придет на смену формату, соответствующему системам 3G. В апреле Япония, Китай и Южная Корея подписали договор, согласно которому с конца 2010 года на территории этих стран начнет действовать сеть мобильной связи четвертого поколения. Некоторые операторы из этих стран заявляют, что приступят к обслуживанию абонентов 4G уже в 2006 году.
Неутомимые оптимисты
По данным мобильного форума 4G (www.4Gmobile.com), в 2000 году всего восемь компаний вели исследования в области 4G-сетей. К 2002 году их число выросло до 200, а в прошлом году превысило 2500. К 2008 году в разработки систем связи четвертого поколения и научные исследования будет вложено более 400 млрд долл. В соответствии с результатами недавнего исследования The road to 4G and NGN: wireless IP migration paths компании Visant Strategies, рынок 4G начнет активно развиваться в 2006—2007 годах, а к 2010 году число абонентов таких сетей достигнет 113 млн человек.
Примечательно, что в разработке беспроводных технологий четвертого поколения самое активное участие принимают не только сотовые операторы Европы и Азии, но и американские операторы фиксированных сетей. Они ищут путь к мобильности, активно пробуя свои силы в развертывании беспроводных локальных сетей (хот-спотов). Поэтому есть надежда, что эпоха 4G уже не за горами.